1．（1）「日本列島及び周辺域の長期広域地殻活動」研究計画

　地震の発生を定量的に予測するためには、まず、長期にわたる地殻活動によってもたらされる広域応力が、特定の断層域に集中していく地震発生の準備過程を理解し、それに引き続く直前過程における地震断層域での応力の再配分機構を解明しなければならない（「地震予知のための新たな観測研究計画（第2次）の推進について（建議）平成15年7月」より）。したがって、日本列島を含むプレートの運動やそれによってもたらされる広域の応力場に関する知見を集積することが、地震発生予測の研究にとっては基本的に重要である。このために、本研究計画では二つの研究項目を実施している。第一の研究項目「ア．日本列島及び周辺域のプレート運動」は、日本列島を含む周辺域のプレートの形状と運動を精密に決定することである。プレート運動の精密な決定によって日本列島にかかる応力の境界条件が把握できると考えられる。特に、ユーラシアプレートとは独立な動きをしていると考えられているアムールプレート等の、大陸側のプレートの境界の形状と変位速度場を精密に推定することが本研究の主たる目的である。第二の研究項目「イ．列島規模のプレート内の構造と変形」は、日本列島の構造やその不均質を明らかにし、プレート境界での境界条件が日本列島に働く応力やその変化にどのように反映されていくのかを知ることであり、このような観点から多面的な研究を実施した。以下では、ア、イに分けて記述するが、両方の項目にまたがる成果もあることを注記しておく。

ア．日本列島及び周辺域のプレート運動

　本研究項目では、宇宙技術（GPS（汎地球測位システム）、SLR（人工衛星レーザー測距）及びVLBI（超長基線電波干渉法））を用いたプレート運動の実測を行った。プレート運動の実測とその解釈には数年以上に及ぶ長期の研究が必要である。本計画においては、アムールプレートに関して、これまで知られていなかった重要な知見が得られた。
　アムールプレート東縁部に位置する、沿海州・ハバロフスク州・サハリン州のGPS観測点の、ユーラシアプレートに対する相対（水平）速度を図6に示す。全体として、アムールプレートの運動を示す同一の変動を見てとることは難しいことが分かった。これらの変動の意味することは現時点では不明であり、今後の調査にゆだねられたが、各領域の特徴を以下に要約する。日本海沿岸の三観測点SMHK、PLST、TERNは、大きさも方向もそろっており確かな変動である。シホテ・アリン断層の西側の点での変動については、東側のGOBLでも同様の変動が見られるため、シホテ・アリン断層に関係するブロック運動という見方も出来る。また、明らかにサハリンの観測点は、西向きの変動を示しており、サハリン島全体の変動の特徴である（北海道大学[課題番号:1001]）。
　モンゴル国内でのGPS連続観測を実施するとともに、これまで取得してきたGPS観測データを統合し、アジア大陸の統合変位速度場を算出した。これらのデータを用いて、アムールプレートのユーラシアプレートに対するオイラー極を推定した結果を図7に示す。ここにはアムールプレート内を代表する5点で推定した場合と、バイカル湖の西岸の点を除いた14点で推定した場合の二通りの結果を示した。既存の結果も合わせて示しているが、アムールプレートの極の位置は研究によってかなり異なっており、安定して推定することができない。用いるデータによって大きく異なる位置が求められるということは、“アムールプレート”と称されている地域は実は一枚の剛体で近似することは不適切であるという可能性が考えられる（東京大学地震研究所[課題番号:1401]）。
　また、平成20年5月には中国四川省においてM8.0の大地震が発生し、大きな災害を引き起こした。地震を発生させた断層は、四川‐雲南地震活動帯の中でもチベットブロックと南中国ブロックとを境とする鮮水河‐安寧河‐小江断層帯から北東に派生する龍門山断層帯に位置する。この断層帯で境されるブロックはGPS観測からみると年数mmで相対運動を行っており、今回の地震はこのブロック運動による歪の蓄積が原因となって発生したものと考えられる。今回の地震の滑り量などから考えると、同等の地震は1000～3000年に一度くらいの繰り返し周期で発生する可能性があることが分かった（東京大学地震研究所[課題番号:1401]）。

イ．列島規模のプレート内の構造と変形

　プレート運動によってもたらされる外部応力が日本列島の内部にどのように伝達し、断層周辺の応力集中をもたらすのかを解明することは、地震予知研究の上でも第一級の重要性を持っている。このためには日本列島の全体的な構造の不均質性や深部構造を詳細に知ると同時に、広域の応力の集中過程や歪の蓄積過程をモニターし、構造と変動の情報から応力の集中過程に関するモデルを構築することが重要である。
　日本列島に展開している防災科学技術研究所の高感度地震観測網（Hi‐net）や広帯域地震観測網（F‐net）等のデータを用いて、高い空間分解能での三次元地震波速度構造、減衰構造を解明すると共に、三次元不均質構造を用いた高精度震源決定、震源分布と地下構造との関係解明を目的とした研究が行われた。
　三次元速度構造を用いた変換波の波形解析により、東海から九州北部までの領域において新たなフィリピン海プレート形状モデルの構築を行った。従来の研究で明らかにされている中国地方に加え、淡路島周辺や琵琶湖北東部下に非地震性海洋プレートの存在を確認した。また、海洋プレート内の地震の分布やメカニズムはプレート形状の影響を強く受けていることが明らかになった（図8）（防災科学技術研究所［課題番号：3001］、Shiomi et al., 2008）。
　西南日本の浅部地殻では火山フロント沿いと四国東部から兵庫県南東部にかけて、地震波の強散乱領域が広がっていることが明らかになった。（防災科学技術研究所[課題番号:3001]）。
　日本全国における三次元地震波速度構造から、深さ5kmの低速度領域と活断層の地表トレースの分布を比較すると、両者の間に相補的な関係が見られた。また、西南日本においては断層の浅部では高速度域に偏り、深部では低速度域に偏ることが分かった。このことは、断層の深部は周囲よりも変形しやすい領域であることを示唆している。（防災科学技術研究所[課題番号:3001]）。
　広域応力場と、余震観測データなどに基づく解析から得られる断層周辺の応力場との関係についての研究を実施したほか、比抵抗構造調査などを通じて下部地殻の物性と変形機構の解明を進めた。2000年（平成12年）鳥取県西部地震（マグニチュードM7.3）の余震域とその周辺における応力の空間的な変化を地震の応力逆解析から求めた。山陰地域に見られる帯状の地震分布に沿う領域では、最大主応力の方向は、その周りの広域の応力場である東西から時計回りに約30度回転しており、S波の偏向異方性解析の結果とも調和的であった。また、この領域では周囲の領域に比べて応力比Rが大きいことが分かった（Kawanishi et al., 2009）。この応力場の回転の原因を探るため、有限要素法によるシミュレーションを行った。内陸地震の断層付近の不均質構造として下部地殻に不均質をおくモデルでは、応力比Rの空間変化を定量的によく説明し、鳥取県西部地震の余震域における応力場の回転をよく再現することが分かった。これらの結果は、内陸地震の断層への応力蓄積過程において、下部地殻の不均質構造が重要な役割を果たしていることを示している（京都大学防災研究所[課題番号:1801]）。
　1891年（明治24年）濃尾地震（M8.0）震源域周辺の水準データを解析することにより、地震後の1901年から1928年までの上下変動パターンが、粘性緩和による変動パターンと類似しており、水準測量により余効変動が検知されていることが明らかとなった。弾性‐粘弾性の二層構造モデルを仮定し、弾性層の厚さ及び粘弾性係数を推定した。得られた弾性層の厚さ33kmは、ほぼ中部地方の地殻の厚さに相当するので、地殻はほぼ弾性であり、モホ面より下の上部マントルが粘弾性体として振る舞っていると考えられる（名古屋大学[課題番号:1701]）。
　沈み込む海洋プレート（スラブ）内では、1993年（平成5年）釧路沖地震（M7.8）、1994年（平成6年）北海道東方沖地震（M8.2）、2001年（平成13年）芸予地震（M6.7）等の大地震がしばしば発生し、またプレート境界地震とプレート内地震との相互作用が指摘されていることからも、プレート内地震の発生機構の理解は重要である。プレート内の含水鉱物の脱水反応により生じた水は、プレート内地震の発生原因（脱水不安定）と考えられ、また、マントルウェッジ内の二次対流として陸域下に達し、内陸地震の発生機構と関係する可能性もある。以上のような観点から、詳細な沈み込む海洋プレート内地震の震源分布・プレート内の不均質構造をもとめ、プレート内地震の発生機構の理解を深める研究を行った（Hasegawa et al., 2009）。
　地震波速度トモグラフィにより、太平洋スラブ最上部に含水化した海洋性地殻に対応する低速度領域を明瞭にイメージすることに成功した。海洋性地殻は東北では深さ約80km、関東では深さ120‐150km程度まで低速度異常を示す。この結果は、速度変化を伴う地殻物質の相転移がそれぞれの深さで起きており、東北と関東で高密度相へ相転移する深さが異なることを示している。関東で低速度域のおよぶ深さが深くなるのは、直上にフィリピン海スラブが沈み込んでいることにより、太平洋スラブの地殻の温度が東北に比べ低温であるためと考えられる。さらに、東北、関東とも海洋性地殻が低速度から高速度になる領域でスラブ地殻内の地震活動が極めて活発であるという特徴があり、これは脱水反応により放出された水が地殻内地震の発生に関与していると考えると説明がつく（東北大学[課題番号:1209]、Tsuji et al., 2008、Nakajima et al., 2009a）。
　DD（二重時間差）トモグラフィ法を用い、北海道東部の太平洋スラブ内の詳細な地震波速度構造を推定した。その結果、二重深発地震面下面に沿って低速度域が分布すること、地震活動があまり活発でない上面と下面の間（面間）は高速度であることが明らかになった。ただし、1993年釧路沖地震（M7.8）の余震域は下面から面間に向かってほぼ水平に伸びているが、そこでは面間であっても例外的に低速度を示すという特徴がある（図3）。下面や釧路沖地震の余震域の速度は、無水カンラン岩の速度よりも小さいため、そこには水が分布することが期待される。一方で、面間の速度は無水カンラン岩でほぼ説明できることから、水があったとしても局所的であると考えられる。これらの成果は、二重深発地震面下面の地震の発生には水が深く関与していることを示唆しており、スラブ内地震の発生メカニズムとしての脱水脆性化説を支持している（東北大学[課題番号:1209]、Nakajima et al., 2009b）。
　地震波速度トモグラフィによって推定された地震波速度構造とプレート境界地震の分布から、関東下におけるフィリピン海スラブ下面と太平洋スラブ上面が接触している領域（接触域）の広がりを推定し、接触によって生じている特異な地震活動の特徴を明らかにした。両スラブの接触域は関東地方の広範囲に広がっており、接触域下の太平洋スラブではプレート境界地震が深さ約80kmまで発生している。これは、太平洋スラブのみが沈み込む東北地方より約30kmも深い。この結果は、低速度な海洋性地殻が関東下では深さ120‐150kmまで存在するという結果と調和的であり、接触域下ではフィリピン海スラブが直上に存在するため、太平洋プレートの境界が低温のまま深いところまで沈み込んでいると考えると、これらの特徴を説明することができる（東北大学[課題番号:1209]、Nakajima et al., 2009c）。
　霞ヶ浦から千葉県東部にかけてのフィリピン海スラブのマントル部分に顕著な低速度域（蛇紋岩化領域）が存在することを明らかにした。この蛇紋岩化領域に関係する特徴的な地震活動として、1987年の千葉県東方沖地震（M6.7）の余震はこの蛇紋岩化域の西縁に沿って発生していること、1921年の竜ヶ崎地震（M7.0）の本震の一つの節面も蛇紋岩化域西縁の走向と一致すること、フィリピン海スラブ内の現在の地震活動も蛇紋岩化域の西縁に沿って面的に発生していることなどが挙げられる。これらの結果は、 1921年や1987年の地震は、蛇紋岩化したマントルの西縁に沿うフィリピン海スラブが変形することに伴い生じる歪の一部を解消するために発生していることを示唆している（東北大学[課題番号:1209]）。
　東北日本弧と千島弧の衝突域である日高衝突帯について、 上面地震帯が深さ80‐120kmへと局所的に深くなる領域であることを確認するとともに、その原因を明らかにするために、地震波速度トモグラフィを行った。その結果、スラブ直上のマントルウェッジに、沈み込んだ千島前弧の地殻であると解釈される速度を持つ物質が分布していることを明らかにした（図9）。そのように地殻物質が太平洋プレートに覆いかぶさっているため、マントルウェッジからの加熱が妨げられ、この地域で局所的に低温となることが期待される。従って脱水分解する深さも局所的に深くなり、上面地震帯がこの地域で局所的に深くなると考えられ、脱水脆性化モデルを強く支持する観測事実であるといえる（東北大学[課題番号:1209]、Kita et al., 2009）。

課題と展望

　日本列島及び周辺域のプレート運動について、アムールプレートの運動を示す同一の変動を見てとることは難しく、アムールプレートと称されている地域は実は一枚の剛体で近似することが不適切であるという可能性が高いことが分かった。オホーツクプレートについては、運動速度が小さいため、高精度のデータをさらに長期間安定して取得することが必要である。
　列島規模のプレート内の構造と変形については、列島全体を俯瞰した構造及び変動の不均質を明らかにすることが必要である。Hi‐netの整備により、列島規模において、高密度・高精度のデータが利用できるようになり、西南日本や関東地方直下のフィリピン海プレートの形状など、プレート境界の構造やプレート内の不均質構造が精度良く決定された。また、山陰地方の地震帯においては、下部地殻における局所的な非弾性変形による応力集中モデルにより、様々な観測結果が統一的に説明された。日本列島全体における三次元地震波速度構造の研究も、下部地殻における局所的な非弾性変形による応力集中モデルと調和的な結果を得ている。今後は、局所的な非弾性変形による応力集中モデルをさらに定量化することが重要である。新潟‐神戸歪集中帯は、中部プレート境界ではなく内陸の変形集中帯である可能性が高いことが分かった。今後は、日本列島及び周辺域のプレート運動の研究とあわせて、新潟‐神戸歪集中帯から日本海東縁のテクトニクスを明らかにし、上部マントルの粘弾性構造や応力場の不均質構造を推定することが重要な課題である。
　平成19年度から開始した、沈み込むプレート内地震の発生機構に関する研究においては、スラブ地殻内地震が海洋性地殻の脱水反応により発生しているという説を支持する成果が得られた。今後の更なる研究の進展に期待したい。

参考文献

　Hasegawa, A., J. Nakajima, N. Uchida, T. Okada, D. Zhao, T. Matsuzawa, and N. Umino, Plate subduction, and generation of earthquakes and magmas in Japan as inferred from seismic observations: An overview, Gondwana Research, 2009, in press.
　Kawanishi, R., Y. Iio, Y. Yukutake, T. Shibutani, and H. Katao, Local stress concentration in the seismic belt along the Japan Sea coast inferred from precise focal mechanisms: Implications for the stress accumulation process on intraplate earthquake faults, J. Geophys. Res., 114, B01309, doi:10.1029/2008JB005765, 2009.
　Nakajima, J., Y. Tsuji, A. Hasegawa, S. Kita, T. Okada, and T. Matsuzawa, Tomographic imaging of hydrated crust and mantle in the subducting Pacific slab beneath Hokkaido, Japan: Evidence for dehydration embrittlement as a cause of intraslab earthquakes, Gondwana Research, in press, 2009a.
　Nakajima, J., Y. Tsuji, and Akira Hasegawa, Seismic evidence for thermally‐controlled dehydration in subducting oceanic crust, Geophys. Res. Lett., 36, L03303, doi:10.1029/2008GL0368652009, 2009b.
　Nakajima, J., F. Hirose, and A. Hasegawa, Seismotectonics beneath the Tokyo metropolitan area: Effect of slab‐slab contact and overlap on seismicity, J. Geophys. Res., in press, 2009c.
　Shiomi, K., M. Matsubara, Y. Ito, and K. Obara. Simple relationship between seismic activity along Philippine Sea slab and geometry of oceanic Moho beneath southwest Japan, Geophys. J. Int. 173, 1018  1029, doi: 10.1111/j.1365‐246X.2008.03786.x, 2008.
　Tsuji, Y., J. Nakajima, and A. Hasegawa, Tomographic evidence for hydrated oceanic crust of the Pacific slab beneath northeastern Japan: Implications for water transportation in subduction zones, Geophys. Res. Lett., 35, L14308, doi:10.1029/2008GL034461, 2008.

図6：　調査領域内のGPS観測点の、ユーラシアプレートに対する相対水平速度（年あたり）の分布。YSSK（IGS）を除く赤丸観測点が、本課題で日ロ共同観測の行われた観測点。灰色丸印の観測点は、Timofeev et al.（2008）による観測点とデータを使用。実線は主要な断層で矢印はその動きの方向。丸数字で示した断層は、1．中央シホテ･アリン断層、2．コラムビンスキー断層、3．プリブレツニィ断層、4．ティム‐ポロナイスキー断層を示す（北海道大学[課題番号:1001]）。

図7：アムールプレートのユーラシアプレートに対するオイラー極（東京大学地震研究所[課題番号:1401]）。

図8：変換波を用いた波形解析によって推定されたフィリピン海プレート内海洋モホ面等深度線と海洋モホ面近傍で発生する地震の震源分布（防災科学技術研究所［課題番号：3001］）。

図9：マントルウェッジの地震波速度分布と上面地震帯との関係。太平洋スラブ上部境界面より10km上方の曲面に沿うS波速度の分布を重ねた。黒十字、黄星はそれぞれ上面の地震および相似地震を示す。桃色の領域は上面地震帯を示す（東北大学[課題番号:1209]）。